摘要：根据列车网络控制系统测试需求的概念,设计半实物仿真平台,描述了网络仿真平台的设计，具体实现方法和应用过程,充分表明其所设计的仿真测试平台能够解决现有测试方法的许多问题,具有较强的技术和创新功能。
关键词：半实物仿真；网络控制系统；建模；功能测试
网络控制系统(TCMS)是对列车牵引系统、制动系统以及列车内部主要设备的状态进行监控，实现对车辆的管理、监控和诊断功能。网络控制系统作为轨道交通设备的神经和大脑，其运行的可靠性关系到列车的安全，以及人民生命财产的安全。因此，网络控制系统在正式运行前，必须经过充分的测试和验证。然而，车辆的动静态调试阶段，主要是各子系统设备与设备、设备与车身网络之间协调的调试过程，而不是帮助各子系统发现错误的过程。因此，迫切需要一套高效可靠的地面测试系统来测试网络控制系统。
1. 半实物仿真平台设计
1.1 设计需求分析
网络控制系统的基础上，分析当前在装货前功能测试的方法，明显的优点和缺点应该扬长避短的设计平台，测试平台的设计应具有以下特点:一是测试平台可以真正模拟列车网络控制系统的工作条件:二是测试平台的测试过程操作简单，方便专业介入;第三，测试过程不需要第三方的配合，可以灵活自由的进行测试。
半实物仿真技术是物理仿真与数字仿真相结合的一种仿真技术，它比数字仿真更接近真实情况，能够解决物理仿真无法模拟的一些问题。半实物仿真作为替代真实环境或设备的一种典型方法，不仅提高了仿真的逼真度，而且，解决了以往系统中，存在的许多复杂的建模问题。
1.2 系统方案设计
基于半实物仿真技术的设计思想，构建了列车网络半实物仿真平台，测试车辆控制单元(VCU)的功能和网络通信在网络控制系统中的状态。设计、测试单位、部门的联邦控制器，远程输入单元(RIOM)，显示(DDU)，及其他模块的物理访问的形式模拟循环，牵引系统、辅助系统、制动系统等体积相对较大的子系统的数学仿真模型运行在访问模拟电路、系统设计的原则，如图1。
1.3 具体实现
根据平台设计原理图，模拟器、VCU、RIOM、DDU通过MVB总线相互连接，通过MVB总线相互通信。上位机(建模工具和监控软件)通过以太网电缆连接到模拟器。控制器和FlexI/O之间，以及通过硬线连接到FlexI/O和RIOM之间。采用FlexI/O将采集到的硬线信号经调理后发送给RIOM单元的DI或AI模块进行采集;同时，接收来自RIOM单元DO或AO模块的硬线信号。因为在半实物仿真平台的使用不同的网络控制系统测试项目，每个项目的控制表的硬线信号RIOM混凝单元不同，导致强硬路线收到RIOM单元接线方式会有所不同，因此，分析在每个项目中，将需要更改一次硬线连接。为了避免重复布线的问题，可以通过调整FlexI/O模块中收集的相关硬线信号的顺序，使之与项目中RIOM单元的数据通道相对应，从而避免硬线的重连。
上位机采用MATLAB/Simulink软件作为前端仿真建模工具，用于网络控制系统各子系统的建模以及模型代码的生成和下载。上位机还运行实验监控软件，实现了项目管理、测试启停控制、测试参数输入、反馈变量监控、测试数据记录等实时仿真测试功能。采用NI PXI-8109模拟器，运行各子系统仿真模型的可执行目标代码，该模拟器可与MATLAB/Simulink无缝连接。VCU机箱用于运行被测网络控制系统的主控程序，RIOM机箱用于采集控制器发出的硬线控制信号。
该平台还引入了故障注入模块对网络控制系统进行干扰，用于模拟车辆运行过程中网络控制系统的噪声和振动干扰。该模块由干涉注入硬件板卡和测试软件两部分组成。测试软件用于控制干扰的类型、启动和停止时间以及干扰的持续时间。
2. 半实物仿真平台应用
2.1 仿真测试流程
在使用网络半实物仿真平台进行仿真测试时，测试人员一般需要进行以下几个步骤：测试分析与设计，测试用例设计，离线模型搭建、编译、自动代码生成，监控界面的设计，模型链接下载，在线仿真试验等，仿真平台的仿真测试流程，如图2所示。
2.2 模型搭建
在使用网络半实物仿真平台进行测试时，测试开发人员需要为网络控制系统的非物理部分的每个子系统构建仿真模型。模型构建过程如图3所示。
介绍了一种基于MVB的网络控制系统。在建模过程中分析了MVB的通信特性，利用Simulink自定义了MVB初始化模块、MVB接收模块和MVB发送模块。仿真子系统模型主要围绕这三个模块建立。首先，根据实测的VCU MVB数据流，利用相关软件生成适合Simulink的数据流。XML格式数据流文件，导入多功能车辆总线初始化模块，然后，通过分析联邦和子系统之间的关系，沟通机制，和函数的特点，使处理后的子系统的逻辑子系统多功能车辆总线模块，发送的数据后，联邦的逻辑处理相应的反馈数据接收子系统多功能车辆总线接收模块，最后将得到的反馈数据与期望。模型建立后，需要进行相应的配置，包括选择。TLC文件，设置仿真模型的步长、仿真时间、仿真器的目标IP地址等，以便生成可以在仿真器中运行的目标模型代码。例如，在仿真牵引系统与VCU之间的通信和功能交互时，所构建的牵引系统在信号接收模块、逻辑功能模块和信号发送模块与VCU通信。根据牵引系统内部逻辑功能构建逻辑功能模块，主要完成不同牵引水平下，电网电压、电网电流、牵引力、牵引制动力、逆变器电流的仿真。牵引系统模型，如图4所示。
2.3测试界面设计
模型编译下载后会生成.Sim文件，通过测试监控软件打开后，可实现仿真模型与测试监控软件的同步对应。在监控软件中可进行加载模型，启动模型，停止模型等操作。而测试数据的输入，以及反馈变量的监控和测试结果显示等操作，则需要在测试监控软件的控制页面Panel中进行。因此，进行测试之前，首先需要对监控界面进行设计，向页面中添加与布局控制，将模型变量与控制关联等操作完成。
在监控界面中，可以在测试状态下调整参数，实现测试数据的输入，通过将反馈变量的结果与期望值关联，通过指示灯显示控制，实现测试结果的显示。如果比较结果匹配，则指示灯亮。如果不匹配，指示灯就会熄灭。
2.4应用
网络仿真平台已经应用到一些国内外城市轨道网络控制系统加载之前的地铁项目的功能测试，后期的车辆在静态和动态模式的过程中，网络控制系统的出错率明显降低，提高静态和动态调试的效率，大大节省人力和原材料成本的调试。该平台还广泛应用于系统升级过程中的逻辑功能验证，以及操作维护过程中的故障复发，容易发现程序bug。
3. 技术特点
与传统的测试方法相比，网络半物理仿真平台具有以下技术特点和创新点:
(1)能够真实地模拟列车的实际运行情况，使网络控制系统的测试结果更加真实准确。
(2)测试界面友好，有利于测试参数的输入和测试结果的监控。
(3)有利于对网络控制系统进行客观严格的独立测试，保证测试结果的客观性。
(4)采用模块化仿真技术，有利于各仿真测试项目之间模型的借用和移植，缩短了仿真系统测试模型构建的周期。
（5）提高网络控制系统产品的静态和动态调整效率，有利于网络控制系统功能的升级和维护，提高网络控制系统产品的可靠性。
4. 结束语
设计并实现了一套半物理仿真测试平台，用于测试所列网络控制系统的功能。测试平台的基础上，充分吸收传统的测试方法，有效地解决了传统测试方法的问题，不仅是现实的模拟列车网络控制系统的操作条件，并使整个测试过程操作简单，易于实现，可以有足够的时间，让开发人员将灵活的网络控制系统进行完整的测试，提高网络控制系统产品的可靠性。网络半物理仿真测试方法，将是未来网络控制系统功能测试的发展趋势。
参考文献：
[1] 黄根生，赵红卫，王欣等.CRH，动车组半实物仿真测试台通信的设计与实现[J].铁道机车车辆，2014,24（2）：5-9:69.
[2] 王红，付文丽等，基于MATLAB/Simulink系统仿真权威指南[M].北京；机械出版社，2013.
[3] 黄建强，鞠建波.半实物仿真技术研究现状及发展趋势[J].舰船电子工程，2011.31（7）：5-7,25.
[4] 薛定宇，陈泉阳.基于MATLAB/Simulink系统仿真技术与应用[M]（第2版），北京：清华大学出版社，2010.
论文作者:刘维洋
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：测试论文; 控制系统论文; 网络论文; 模型论文; 平台论文; 实物论文; 模块论文; 《电力设备》2019年第8期论文;